Dvodi{0}}dimenzionalni lamelarni kristal sastavljen od atomski tankih slojeva olovnog jodida (PbI2) mogao bi se koristiti za proizvodnju nove generacije sklopova koji koriste svjetlost i mehaničke vibracije (umjesto elektrona) za prijenos informacija u frekvencijskom rasponu teraherca.
Istraživači u Brazilskom centru za istraživanje energije i materijala (CNPEM), u partnerstvu s kolegama sa Sveučilišta u Lilleu (Francuska) i drugim međunarodnim institucijama, proučavali su ovu tehnologiju i objavili svoja otkrića uNature Communications.
Terahercni pojas odgovara nisko{0}}energetskom području elektromagnetskog spektra smještenom između infracrvenog i mikrovalnog zračenja. Unatoč tome, smatra se ključnim za razvoj-komunikacijskih tehnologija velike brzine.
"Danas Wi-Fi i 5G rade na frekvencijama od nekoliko gigaherca (GHz, 109herc). Ali postoji interes za kretanje prema stotinama gigaherca ili čak teraherca (1012herca), jer što je viša frekvencija, veća je širina pojasa i kapacitet prijenosa podataka," kaže Raul de Oliveira Freitas, voditelj linije snopa Imbuia u brazilskom Laboratoriju sinkrotronske svjetlosti (LNLS-CNPEM) i koordinator studije.
Studija je istraživala kako proizvesti visoko{0}}kvalitetni slojeviti kristal koji može djelovati kao valovod za zračenje u ovom frekvencijskom rasponu pomoću olovnog jodida, jeftinog materijala.
Ova bi platforma mogla funkcionirati kao rezonator, koji ograničava svjetlost i odabire određene frekvencije pojačavanjem određenih načina osciliranja. Također bi mogao funkcionirati kao razdjelnik snopa, koji dijeli snop svjetlosti u dvije ili više putanja kako bi se omogućila distribucija optičkog signala, ili kao modulator, koji mijenja svojstva svjetla, kao što su intenzitet, faza ili frekvencija, za kodiranje informacija.
Najinovativniji aspekt rada je mogućnost zadržavanja svjetlosti unutar volumena mnogo manjeg od njegove valne duljine.
"U rasponu teraherca, svjetlost ima valne duljine od stotina mikrometara. Ono što mi radimo je da ograničimo ovu svjetlost unutar submikrometarskih područja", objašnjava Freitas.
To je omogućeno stvaranjem fononskih-polaritona, hibridnih kvazičestica koje kombiniraju vibracije atoma u kristalnoj rešetki (fononi) sa svjetlom.
"To je kao da je fonon obučen u svjetlo, tvoreći kvazičesticu s jedinstvenim svojstvima. Karakteristike širenja i interakcija s materijom ovih kvazičestica razlikuju se i od izolirane svjetlosti i od izoliranih fonona", komentira istraživač.
Ekstremno ograničenje svjetlosti uključuje rad izvan granice difrakcije, što ograničava rezoluciju konvencionalnih optičkih sustava.
"U klasičnoj optici nije moguće promatrati ili manipulirati strukturama puno manjim od valne duljine svjetlosti. S polaritonima smo uspjeli prevladati tu granicu", kaže Freitas.
Da bi to postigli, istraživači su upotrijebili optičku skenirajuću mikroskopiju-tipa raspršenog-polja (s-SNOM), tehniku koja koristi metalne vrhove u nanorazmjerima za ekstremno komprimiranje elektromagnetskih polja.
"Vrh djeluje kao antena i stvara vruću točku električnog polja s dimenzijama reda desetaka nanometara, bez obzira na izvornu valnu duljinu. To omogućuje drastično smanjenje prostorne skale svjetlosti", kaže Freitas.
"Nadalje, gustoća električnog polja u s-SNOM sondama je do 105puta veća nego kod slobodnih valova, što objašnjava superiornost tehnike za nanofotonska istraživanja. Uspjeli smo ograničiti val od 200 mikrometara u volumen manji od 50 nanometara."
Drugi ključni nalaz studije bio je faktor visoke kvalitete fononskih-polaritona u PbI2. Faktor kvalitete je mjera koliko dugo oscilacija traje prije nego što nestane.
"Što dulje sustav oscilira, to je veći faktor kvalitete. PbI2izvodi se usporedivo s heksagonalnim borovim nitridom (hBN), koji je referentni materijal u infracrvenom području", kaže Freitas.
Jednostavna i održiva zamjena
Za razliku od olovnog jodida, heksagonalni bor nitrid (hBN) izuzetno je težak materijal za sintetizirati, zahtijeva ekstremne uvjete tlaka i temperature. Čak i nakon više od dva desetljeća istraživanja, nekoliko je skupina u svijetu ovladalo proizvodnjom ovog materijala visoke kvalitete. Nadalje, njegova svojstva čine ga prikladnim za srednji-infracrveni raspon, ali ne i za terahertz raspon.
Olovni jodid, s druge strane, ima dva jeftina, prirodna prekursora: jod i olovo. Može se i kristalizirati na krajnje jednostavan način.
"Jednostavno otopite sol u vodi dok se ne dobije prezasićena otopina i zagrijte je na oko 80 stupnjeva C-što se može učiniti na štednjaku u kućanstvu. Tijekom hlađenja, materijal kristalizira, formirajući strukture koje se mogu sakupiti", kaže istraživač.
Sposobnost manipuliranja svjetlom na nanoskali utire put integriranim fotonskim sklopovima koji mogu zamijeniti ili nadopuniti elektroničke sklopove.
"Trenutno se informacije unutar uređaja prenose putem elektrona. Korištenje svjetla može drastično povećati brzinu i smanjiti gubitke. To je analogno onome što se dogodilo u polju telekomunikacija", kaže Freitas.
"Prije smo koristili električne kabele; danas koristimo optička vlakna koja omogućuju mnogo veće brzine. Isti princip može se primijeniti unutar čipova. A, osim većih brzina, tu su i uštede energije: svjetlost trpi daleko manje gubitke od električne struje. To može rezultirati učinkovitijim i održivijim rješenjima."
